(57)【要約】【課題】減圧用の設備等を必要とせず、大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成方法及びその装置を提供する。【解決手段】導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間２０ａ内に、当該処理空間内における長さが所定長さＬｖｅｒとなるように、且つ処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように導電性を有するアンテナ部材を配置し、前記処理空間内にマイクロ波を照射してプラズマを生成する。導電体で囲まれ、内部が大気圧の処理空間２０ａと、アンテナ部材３０と、マイクロ波発生手段１０とを備え、マイクロ波発生手段１０は処理空間２０ａ内にマイクロ波を照射し、アンテナ部材３０は導電性を有するとともに略柱状の形状であり、処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように、且つ処理空間２０ａ内における長さが所定長さＬｖｅｒとなるように設けられている。【選択図】        図１
2005353411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間内に、当該処理空間内における長さが所定長さとなるように、且つ処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように導電性を有するアンテナ部材を配置し、
前記処理空間内にマイクロ波を照射してプラズマを生成する、
ことを特徴とする大気圧中でのプラズマ生成方法。
【請求項２】
導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、アンテナ部材と、マイクロ波発生手段とを備えた大気圧中でのプラズマ生成装置であって、
マイクロ波発生手段は、処理空間内にマイクロ波を照射し、
アンテナ部材は導電性を有するとともに略柱状の形状であり、処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように、且つ処理空間内における長さが所定長さとなるように設けられている、
ことを特徴とする大気圧中でのプラズマ生成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、
アンテナ部材は所定長さ以上の長さを有しているとともに、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能であり、
更に、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段とを備える、
ことを特徴とする大気圧中でのプラズマ生成装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、
更に、生成したプラズマを保持する保持容器を備え、
保持容器の上部は略球状または略半球状の形状を有しているとともに、保持容器の上部には所定サイズの穴が設けられており、
前記保持容器は、処理空間内に且つアンテナ部材を覆うように配置されている、
ことを特徴とする大気圧中でのプラズマ生成装置。
【請求項５】
マイクロ波発生手段と、
導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、
マイクロ波発生手段から出力されたマイクロ波を処理空間に導くとともに前記マイクロ波の反射波を逃がすサーキュレータと、
処理空間へのマイクロ波の入射波と処理空間からのマイクロ波の反射波とを計測可能な方向性結合器と、
前記反射波の量を調節可能な整合器と、
処理空間内に配置されるとともに生成したプラズマを保持する保持容器と、
保持容器内に配置され、導電性を有するとともに略柱状の形状を有し、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能なアンテナ部材と、
処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該長さ検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段と、
生成したプラズマの温度を検出可能な温度検出手段と、当該温度検出手段による検出量に基づいてマイクロ波の出力を制御する出力制御手段とを備える、
ことを特徴とする大気圧中のプラズマ生成装置。
【請求項６】
導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、
処理空間の任意の面に設けられた単数または複数のマイクロ波発生手段と、
マイクロ波発生手段に近接して設けられ、マイクロ波発生手段から出力されたマイクロ波を拡散させる反射板と、
処理空間内に配置されるとともに生成したプラズマを保持する保持容器と、
保持容器内に配置され、導電性を有するとともに略柱状の形状を有し、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能なアンテナ部材と、
処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該長さ検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段と、
生成したプラズマの温度を検出可能な温度検出手段と、当該温度検出手段による検出量に基づいてマイクロ波の出力を制御する出力制御手段とを備える、
ことを特徴とする大気圧中のプラズマ生成装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれかに記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、
保持容器は比較的小さな径の内保持容器と、比較的大きな径の外保持容器との２つの容器を重ねて構成されており、
内保持容器と外保持容器との間の空間には冷却用流体が流されている、
ことを特徴とする大気圧中のプラズマ生成装置。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれかに記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、
更に、導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第２所定長さの第２アンテナ部材と、耐熱性の誘電体で構成したベース部とを備え、
ベース部は保持容器内に配置され、
第２アンテナ部材は、ベース部の上にほぼ水平に配置されている、
ことを特徴とする大気圧中のプラズマ生成装置。
【請求項９】
上部が略球状または略半球状の形状を有する保持容器と、アンテナ部材と、底部材とを備え、
底部材は導電性を有しており、アンテナ部材の一方の端を固定し、
アンテナ部材は略柱状の形状を有するとともに所定長さを有しており、前記底部材に固定されて前記保持容器内に配置されている、
ことを特徴とする大気圧中でのプラズマ生成支援装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気圧中においてプラズマを生成する方法、及び大気圧中においてプラズマを生成する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、プラズマの着火及び維持は、一般的には低圧状態で行われている。大気圧中では周囲の低温の中性ガス密度（プラズマでない通常のガスの密度）が非常に大きく、高温のプラズマの着火と維持が非常に困難となるためである。
従来技術として、プラズマの放電開始時では減圧しておき、減圧状態にてマイクロ波を用いてプラズマを生成し、生成したプラズマを維持しながら大気圧に戻し、大気圧中にて高温のプラズマで基板表面を熱処理するプラズマ処理装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
また、図８に示すように、大気圧中において、整合器で整合可能なキャビティ２０Ａ内に設けた棒状のアンテナ３０Ａにマイクロ波を照射して、アンテナ３０Ａの先端が収容されているキャビティ２０Ａ内にてプラズマを生成するプラズマ生成装置も提案されている。
【特許文献１】特開２００４−０３１５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載された従来技術は、マイクロ波を用いてプラズマを生成する際、プラズマの着火性を向上させ、プラズマの生成を安定化させているが、プラズマを安定的に着火させる際に減圧（１００Ｔｏｒｒ程度まで減圧）する必要がある。減圧するためには排気ポンプ、バルブ等の減圧用の設備と、減圧に要する時間が必要となり、プラズマを生成するには非常に手間がかかる。
図８に示す従来技術は、キャビティ２０Ａ（共鳴箱）にてマイクロ波を共鳴（共振）させてマイクロ波を増幅させているが、生成されたプラズマの影響で共鳴点が微妙に変動するため、常に整合を取る必要がある。つまり、生成したプラズマを維持するためには、キャビティ用整合器２０Ｂを常に調整し続けなければならず、非常に手間がかかる。また、キャビティ２０Ａはより大きな共鳴（共振）を得るために、比較的小さなサイズ（１０［ｃｍ］四方程度）で構成されており、数１０［ｃｍ］以上の径を有する比較的大きな体積のプラズマを生成することはできない。また、生成されたプラズマがアンテナ３０Ａの先端部分を覆ってしまうと、アンテナ３０Ａの電場が遮断され、プタズマの維持が非常に困難となるため、ガス（例えば窒素、ヘリウム等）を流してプラズマの位置をアンテナ３０Ａの先端部から強制的に移動させている。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、減圧用の設備等を必要とせず、大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成方法及びその装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するための手段として、本発明の第１発明は、請求項１に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成方法である。
請求項１に記載の大気圧中でのプラズマ生成方法では、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間内に、当該処理空間内における長さが所定長さとなるように、且つ処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように導電性を有するアンテナ部材を配置し、前記処理空間内にマイクロ波を照射してプラズマを生成する。
【０００５】
また、本発明の第２発明は、請求項２に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項２に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、アンテナ部材と、マイクロ波発生手段とを備えた大気圧中でのプラズマ生成装置であって、マイクロ波発生手段は処理空間内にマイクロ波を照射し、アンテナ部材は導電性を有するとともに略柱状の形状であり、処理空間内における一方の端が前記導電体に接地するように、且つ処理空間内における長さが所定長さとなるように設けられている。
【０００６】
また、本発明の第３発明は、請求項３に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項３に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、請求項２に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、アンテナ部材は所定長さ以上の長さを有しているとともに、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能であり、更に、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段とを備える。
【０００７】
また、本発明の第４発明は、請求項４に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項４に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、請求項２または３に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、更に、生成したプラズマを保持する保持容器を備える。そして、保持容器の上部は略球状または略半球状の形状を有しているとともに、保持容器の上部には所定サイズの穴が設けられており、前記保持容器は、処理空間内に且つアンテナ部材を覆うように配置されている。
【０００８】
また、本発明の第５発明は、請求項５に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項５に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、マイクロ波発生手段と、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、マイクロ波発生手段から出力されたマイクロ波を処理空間に導くとともに前記マイクロ波の反射波を逃がすサーキュレータと、処理空間へのマイクロ波の入射波と処理空間からのマイクロ波の反射波とを計測可能な方向性結合器と、前記反射波の量を調節可能な整合器と、処理空間内に配置されるとともに生成したプラズマを保持する保持容器と、保持容器内に配置され、導電性を有するとともに略柱状の形状を有し、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能なアンテナ部材とを備える。
そして、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該長さ検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段と、生成したプラズマの温度を検出可能な温度検出手段と、当該温度検出手段による検出量に基づいてマイクロ波の出力を制御する出力制御手段とを備える。
【０００９】
また、本発明の第６発明は、請求項６に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項６に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、導電体で囲まれるとともに内部が大気圧の処理空間と、処理空間の任意の面に設けられた単数または複数のマイクロ波発生手段と、マイクロ波発生手段に近接して設けられ、マイクロ波発生手段から出力されたマイクロ波を拡散させる反射板と、処理空間内に配置されるとともに生成したプラズマを保持する保持容器と、保持容器内に配置され、導電性を有するとともに略柱状の形状を有し、処理空間を構成する導電体と接地した個所から任意の長さを処理空間内に挿入可能なアンテナ部材と、処理空間内におけるアンテナ部材の長さを検出可能な長さ検出手段と、当該長さ検出手段による検出量に基づいて処理空間内に挿入するアンテナ部材の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段と、生成したプラズマの温度を検出可能な温度検出手段と、当該温度検出手段による検出量に基づいてマイクロ波の出力を制御する出力制御手段とを備える。
【００１０】
また、本発明の第７発明は、請求項７に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項７に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、請求項４〜６のいずれかに記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、保持容器は比較的小さな径の内保持容器と、比較的大きな径の外保持容器との２つの容器を重ねて構成されており、内保持容器と外保持容器との間の空間には冷却用流体が流されている。
【００１１】
また、本発明の第８発明は、請求項８に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成装置である。
請求項８に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置は、請求項４〜７のいずれかに記載の大気圧中でのプラズマ生成装置であって、更に、導電性を有するとともに略柱状の形状を有する第２所定長さの第２アンテナ部材と、耐熱性の誘電体で構成したベース部とを備え、ベース部は保持容器内に配置され、第２アンテナ部材は、ベース部の上にほぼ水平に配置されている。
【００１２】
また、本発明の第９発明は、請求項９に記載されたとおりの大気圧中でのプラズマ生成支援装置である。
請求項９に記載の大気圧中でのプラズマ生成支援装置は、上部が略球状または略半球状の形状を有する保持容器と、アンテナ部材と、底部材とを備え、底部材は導電性を有しており、アンテナ部材の一方の端を固定し、アンテナ部材は略柱状の形状を有するとともに所定長さを有しており、前記底部材に固定されて前記保持容器内に配置されている。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の大気圧中でのプラズマ生成方法を用いれば、減圧用の設備等を必要とせず、マイクロ波を用いて大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能である。
【００１４】
また、請求項２に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、減圧用の設備等を必要とせず、マイクロ波を用いて大気圧中で比較的容易にプラズマを着火及び維持することが可能である。
【００１５】
また、請求項３に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、アンテナ部材の長さが変動した場合（マイクロ波を吸収して放電することによる溶融、蒸発等により短くなった場合等）であっても、アンテナ部材の長さをマイクロ波を最も吸収し易い適切な長さに維持することが可能である。
【００１６】
また、請求項４に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、処理空間内に漂うプラズマを保持容器内に維持することができるので便利である。また、上部に設けた所定サイズの穴により、生成された高温のプラズマが保持容器内にて浮力で自動的に上部に移動し、アンテナ部材を覆ってしまわないようにすることができる（アンテナ部材がプラズマで覆われると、生成したプラズマを維持することが困難になる）。
【００１７】
また、請求項５に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、数時間〜数日継続して比較的大きな出力のマイクロ波を安定的に照射することが可能であり、工業的な用途等にて数時間〜数日継続してプラズマを生成及び維持することが可能な大気圧中でのプラズマ生成装置を実現することができる。
【００１８】
また、請求項６に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、請求項５に記載した大気圧中でのプラズマ生成装置よりも、より単純な構成にて比較的大きな出力のマイクロ波を安定的に照射してプラズマを生成及び維持することが可能な大気圧中でのプラズマ生成装置を実現することができる。
【００１９】
また、請求項７に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、保持容器を２重構造にして冷却することで、保持容器の耐久性をより向上させることができる。
【００２０】
また、請求項８に記載の大気圧中でのプラズマ生成装置によれば、（耐熱性の）誘電体の上にほぼ水平に配置した第２アンテナ部材をプラズマの着火用に用い、接地しているアンテナ部材をプラズマの維持に用いることができ、着火性をより向上させることができる。
【００２１】
また、請求項９に記載の大気圧中でのプラズマ生成支援装置を用いれば、例えば当該大気圧中でのプラズマ生成支援装置を家庭用の電子レンジ等に入れてマイクロ波を照射することで、容易にプラズマを生成することができ、実験用の教材、玩具等に容易に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の一実施の形態（第１の実施の形態）の概略構成図を示している。
◆［第１の実施の形態（図１〜図３）］
第１の実施の形態は、例えば５ｋＷを越えるような比較的出力が大きなマイクロ波を数時間〜数日継続して、比較的大容量のプラズマを生成及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成装置の例を示している。
●［プラズマ生成装置の全体構成（図１）］
本実施の形態における、大気圧中でのプラズマ生成装置は、マイクロ波発生手段１０と、サーキュレータ１１と、方向性結合器１２と、整合器１３と、ホーン１４と、筐体２０とを構成要素に含んでいる。また、筐体２０は導電体で略箱状に構成されており、筐体２０の内部は導電体で囲まれ、且つ大気圧の処理空間２０ａが形成されている。
処理空間２０ａ内には、保持容器４０が配置され、保持容器４０内にはアンテナ部材３０が立てられている。なお、保持容器４０（ガラス、セラミック等のマイクロ波を通す耐熱性の材質にて形成されている）の上部は、球状または半球状の形状であることが好ましい。球状または半球状の形状により、特定部位に熱応力の集中等が発生することがなく、耐久性が良いからである。
【００２３】
マイクロ波発生手段１０は、出力制御手段１０ａからの制御信号に基づいた出力のマイクロ波を出力する。出力制御手段１０ａは、温度検出手段１０ｂ（光スペクトル等、非接触の温度検出手段にて温度を推定する）からの検出量に基づいて、生成したプラズマ５０の所定位置（中心部分等）の温度が目標温度（例えば６０００［℃］程度）となるように、マイクロ波発生手段１０の出力を制御する。
サーキュレータ１１は、マイクロ波発生手段１０から出力されたマイクロ波を処理空間２０ａに導く（矩形）導波管中に配置され、処理空間等から反射してきたマイクロ波がマイクロ波発生手段１０に戻らないように逃がしている。更にその先に取り付けられたダミーロード１１ａは、この反射の電力を消費するものである。これにより、数時間〜数日継続してマイクロ波発生手段１０を稼動させても、マイクロ波発生手段１０が自身で出力したマイクロ波を受けることがなく（反射されたマイクロ波はダミーロード１１ａに吸収されて）、安定して稼動（安全に稼動）させることができる。
【００２４】
結合器１２（方向性結合器等）は、マイクロ波発生手段１０から出力されて処理空間２０ａに向かうマイクロ波の量と、処理空間２０ａ等から反射してマイクロ波発生手段１０に戻る反射波の量を計測可能である。そして、反射波の量が最小（ほぼゼロ）となるように、整合器１３（スタブチューナ等）を調節する。
処理空間２０ａは、マイクロ波の波長λよりも充分大きくすることで、共鳴を抑制することができる。また、本実施の形態では、処理空間２０ａを波長λよりも充分大きくしているので、処理空間２０ａのマイクロ波に対するＱ値が低く、プラズマの生成状態に応じて常時整合を取り続ける必要はない。一度整合を取れば、その後整合器１３を調整する必要は、ほとんどない。
【００２５】
そしてマイクロ波は、処理空間２０ａに入射される際、開口部が所定開口角度に設定されたホーン１４から処理空間２０ａに照射される。なお、ホーン１４の所定開口角度は、照射されたマイクロ波が保持容器４０を包み込むことが可能な角度に設定されている。なお、ホーン１４は省略してもよい。
保持容器４０は、処理空間２０ａ内に配置され、例えば略円筒状の形状であり、上部は略球状または略半球状の形状を有しており、ガラス、セラミック等のマイクロ波を通す耐熱性の材質にて形成されている。また、保持容器４０の上部には所定サイズの穴４１が設けられている。
アンテナ部材３０は、保持容器４０内に所定角度（例えば４５［°］〜９０［°］）で配置されている。なお、アンテナ部材３０は溶融して垂れる場合も考えられるので、ほぼ垂直（９０［°］）に設定することが好ましい。本実施の形態では処理空間２０ａの底面からほぼ垂直に配置されている。また、アンテナ部材３０は導電性を有するとともに略柱状の形状をしており、処理空間内における一方の端（下端）は処理空間２０ａを形成している導電性を有する面と接地（接触）している。また、アンテナ部材３０の他方の端は接地することなく処理空間２０ａ内に位置している。
なお、アンテナ部材３０の長さを検出可能な長さ検出手段３２及び３３、処理空間２０ａ内に挿入するアンテナ部材３０の長さを所定長さに調節可能な長さ調節手段３１及び３４についての説明は後述する。
【００２６】
●［アンテナ部材の構造及びプラズマが生成される様子（図２）］
次に、図２（Ａ）及び（Ｂ）を用いてアンテナ部材３０の構造について説明する。
アンテナ部材３０は、マイクロ波の電場を集中させるために、導電性の板（この場合、筐体２０の底面、または側面等の任意の面）からほぼ垂直に配置（例えば底面に立てる場合は垂直、側面に立てる場合は水平（側面に対して垂直）に配置）することが好ましい。また、図２（Ｂ）に示すように底部材３５（導電性の板）に対して垂直に立てるようにしてもよい。なお、アンテナ部材３０を筐体２０の任意の面または導電性の板のどちらに立てる場合であっても、アンテナ部材３０の一方の端は導電性の部材に接地（接触）している。
また、マイクロ波の波長をλとすると、アンテナ部材３０の長さＬｖｅｒ（処理空間２０ａ内における長さ）を、片側接地のアンテナの場合（本実施の形態の場合）はλの１／４の長さに設定すると、マイクロ波の電場がアンテナにおける接地側の端と反対の端で最大となるので好ましい。例えば周波数が２．４５［ＧＨｚ］のマイクロ波を用いた場合、その波長λは１２．２［ｃｍ］であるので、アンテナ部材３０の長さを１２．２／４＝３．０５［ｃｍ］（ほぼ３［ｃｍ］）に設定する。
【００２７】
次に、図２（Ｃ）〜（Ｅ）を用いてプラズマが生成される様子について説明する。
図１に示す大気圧中でのプラズマ生成装置にてマイクロ波発生手段１０からマイクロ波を出力すると、アンテナ部材３０がマイクロ波の電場を集中させるため、端部３０Ｔ（導電性の部材に接地していない側の先端部）に電界が集中し（図２（Ｃ））、この電界にて大気中のガスが電離されてプラズマ５０が着火される（図２（Ｄ））。更に電離が進みプラズマ５０の体積が大きくなると、プラズマ５０はやがて保持容器４０の上方に浮力で移動する（図２（Ｅ））。この状態にてマイクロ波の出力を継続していれば、プラズマ５０は移動先で温度及び密度が上昇し、マイクロ波がよく吸収されて維持される。
【００２８】
電界をより集中させるためには、アンテナ部材３０は、導電性を有し、より細い形状が好ましいが（径φＡ（図２（Ａ）及び（Ｂ）参照）が小さい方が好ましい）、細すぎると溶融または蒸発等の進行が早いため好ましくない。このため、本実施の形態では径φＡが１［ｍｍ］以下（０．３［ｍｍ］〜１．０［ｍｍ］程度が好ましい）のアンテナ部材３０を用いた。また、溶融または蒸発を抑制するためには高融点の材質であることが好ましく、タングステン、モリブデン、炭素棒（シャープペンシルの芯等）が好ましい。もちろん、鉄、アルミ等の金属を用いてもよい。また、アンテナ部材３０の形状は、円柱でも多角柱でもよい。
なお、プラズマ５０の量（サイズ）は保持容器４０の容量でほぼ決まり、プラズマ５０の上昇した移動先の高さは保持容器５０の高さでほぼ決まる。また、プラズマ５０の温度はマイクロ波発生手段１０からのマイクロ波の出力で制御することができる。
また、アンテナ部材３０の長さはマイクロ波の波長λの１／４の長さに設定することが最も好ましいことは上述した通りであるが、プラズマ５０の着火及び維持をしていると、アンテナ部材３０の先端部が溶融または蒸発して、λの１／４よりも短くなってしまう。アンテナ部材３０の長さが、λの１／４近傍の許容誤差範囲をはずれると、先端部に集中する電界強度が大きく落ち込み、プラズマ５０の着火及び維持をすることが困難となる。
【００２９】
そこで図１に示すように、アンテナ部材３０の長さＬｖｅｒ（処理空間２０ａ内に位置している長さ）を常にλの１／４に維持するために、処理空間２０ａ内におけるアンテナ部材３０の長さＬｖｅｒを検出可能な長さ検出手段３２及び３３と、長さ検出手段３２及び３３の検出量に基づいて処理空間２０ａ内に挿入するアンテナ部材３０の長さを調節可能な長さ調節手段３１及び３４とを備える。例えば長さ検出手段３２及び３３は非接触の光電センサであり、処理空間２０ａ内におけるアンテナ部材３０の長さＬｖｅｒが３［ｃｍ］よりも長いまたは短いことを検出可能である。長さ調節手段３１は、長さ検出手段３２及び３３の検出結果、所定長さ（この場合３［ｃｍ］）よりも短い場合は長さ調節手段３４にてアンテナ部材３０を送り出して所定長さに維持し、所定長さよりも長い場合は長さ調節手段３４にてアンテナ部材３０を引き出して所定長さに維持する。
【００３０】
図２（Ｆ）に示すように、プラズマ５０が保持容器４０の上方に移動して維持されている場合、プラズマ５０の下端部分がアンテナ部材３０の上端近傍にあると、アンテナ部材３０の先端に集中する電場でプラズマ粒子が加速され、それにより更に電離が進み、プラズマ５０の高温化、高密度化が促進され、プラズマ５０が維持される。
また、図２（Ｇ）はアンテナ部材３０の別の実施例を示しており、アンテナ部材３０を筒状カバー３６（例えばガラス、セラミック（Ａｌ2Ｏ3）等で構成）内に収容している。なお、図２（Ｈ）は図２（Ｇ）をアンテナ部材３０の軸を通る面で切断した断面図である。この場合、筒状カバー３６の下方から窒素ガス等を供給すれば、アンテナ部材３０の先端部の溶融または蒸発を抑制することができる。なお、図２（Ｈ）に示す断面ではアンテナ部材３０と底部材３５とが接触していないが、アンテナ部材３０と底部材３５とは一部の面で接触（接地）している。
【００３１】
●［第２アンテナ部材の追加と効果（図３）］
以上に説明したように、アンテナ部材３０を用いれば大気圧中でプラズマ５０の着火及び維持が可能であるが、プラズマ５０の着火性をより向上させるためには、第２アンテナ部材３０Ｈを追加することが好ましい。
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて第２アンテナ部材３０Ｈの構造及び配置について説明する。
第２アンテナ部材３０Ｈの形状及び材質はアンテナ部材３０と同様である。ただし、長さＬｈｏｒは、マイクロ波の波長をλとした場合、実験の結果、λの１／４〜１／２に設定すると良い結果が得られた（着火性が向上した）。
【００３２】
第２アンテナ部材３０は、誘電体４３（例えば粉末または固形のセラミック（Ａｌ2Ｏ3）、レンガ等の高融点（１０００［℃］以上）の誘電体が好ましい）の上にほぼ水平に配置するだけでよい。なお、本実施の形態では誘電体４３（ベース部）に粉末のアルミナを用いたため、容器４２に誘電体４３を入れているが、板状のセラミック、レンガ等を用いた場合は容器４２は不要である。
そして、誘電率の大きな誘電体４３（ベース部）の上に置かれた第２アンテナ部材３０Ｈの両端にマイクロ波の電界が集中し、ガスが電離されてプラズマ５０が着火される。
【００３３】
次に、図３（Ｃ）〜（Ｅ）を用いて、第２アンテナ部材３０Ｈを追加した場合において、プラズマ５０が生成される様子について説明する。
第２アンテナ部材３０Ｈは、誘電体４３の上に横たわらせて配置されており、保持容器４０内の任意の位置に載置されている。そして、図１に示す大気圧中でのプラズマ生成装置（第２アンテナ部材３０Ｈを追加している）にてマイクロ波発生手段１０からマイクロ波を出力すると、まず第２アンテナ部材３０Ｈがマイクロ波を集中させ、先端部の電界が強くなり（図３（Ｃ））、この電界にて大気中のガスが電離されてプラズマ５０が着火される（図３（Ｄ））。更に電離が進みプラズマ５０の体積が大きくなると、プラズマ５０はやがて保持容器４０の上方に浮力で移動する（図３（Ｅ））。この状態にてマイクロ波の出力を継続していれば、プラズマ５０は移動先で維持される。プラズマ５０が維持されている場合、アンテナ部材３０の先端に集中する電場でプラズマ粒子が加速され、それにより更に電離が進み、プラズマ５０の高温化、高密度化が促進され、プラズマ５０が維持され、アンテナ部材３０がプラズマ５０の維持に寄与している。
【００３４】
なお、保持容器４０の材質にはガラスを用いたが、薄いガラス（１［ｍｍ］〜２［ｍｍ］程度）の方が厚いガラスよりも内側と外側の温度差が小さいため、熱膨張差による歪みが少なく耐久性がよいことが実験結果から判った。また保持容器４０の形状は、角のない軸対称のおわん状（半球状）のもののほうが熱歪みの均一性がよく耐久性がよいことが確かめられた。
また、保持容器４０の耐久性を更に向上させるためには、図３（Ｆ）に示すように、保持容器４０を２重構造にして（小さい径の保持容器を大きい径の保持容器の内部に収容する）その間隙Ｓに冷却用流体（冷却用のガス等）を流すとよい。なお、保持容器４０の底面は開放されており、処理空間２０ａの底面を形成している導電体に立てられたアンテナ部材３０及び載置された第２アンテナ部材３０Ｈの上から覆うように保持容器４０を被せている。
【００３５】
◆［第２の実施の形態（図４）］
図４は、本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の一実施の形態（第２の実施の形態）の概略構成図を示している。第２の実施の形態は、例えば１０ｋＷ未満の比較的出力が小さなマイクロ波を数時間継続して、プラズマを生成及び維持することが可能な、大気圧中でのプラズマ生成装置の例を示している（各マイクロ波発生手段１０の出力は、各々１ｋＷ程度）。
第２の実施の形態は、第１の実施の形態に対してマイクロ波発生手段１０から筐体２０にマイクロ波を導く導波経路を省略し、筐体２０にマイクロ波発生手段１０を直接設けている点が異なり、第１の実施の形態に示す構成を簡略化した構成である。このため、第２の実施の形態では、第１の実施の形態からサーキュレータ１１、結合器１２、整合器１３が省略されている。なお、第２の実施の形態では、マイクロ波発生手段１０を単数または複数備えている。
また、マイクロ波発生手段１０が自身で出力したマイクロ波を受けることがないように、且つ他のマイクロ波発生手段１０から出力されたマイクロ波も受けることがないように、マイクロ波発生手段１０に対応させて反射部材１０Ｒが設けられている。なお、反射部材１０Ｒは、出力されたマイクロ波を拡散させるためにも用いられている。
その他の構成（保持容器４０、アンテナ部材３０等）は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
【００３６】
◆［産業への適用例］
次に、以上に説明した大気圧中でのプラズマ生成装置を産業へ適用した例を説明する。
●［実施例１：被処理ガスの熱処理装置（図５）］
図５は、被処理ガス（製造上で発生する有害ガス等）を、プラズマの高温で熱処理（分解）する熱処理装置に適用した例であり、図１に示す大気圧中でのプラズマ生成装置に対して保持容器４０が異なる（マイクロ波発生手段１０、サーキュレータ１１等は図示を省略している）。本実施例は、大気よりも質量の小さな物質を下方から供給し、上方から回収するものである。
保持容器４０は略円筒状の形状であり、上部は球状または半球状の形状に設定されているとともに所定サイズの穴４１が形成されている。そして穴４１には排出管４３ｂが接続されている。また、保持容器４０は所定角度θ１に傾斜させて設けられている。
上記の構成にて、保持容器４０に縦長のプラズマ５０を生成及び維持し、被処理ガスを比較的長距離で反応させる（熱処理する）。また所定角度θ１は、被処理ガスを熱処理する時間等に応じて設定される。また穴４１のサイズは、マイクロ波発生手段１０からの出力、生成するプラズマの体積、保持容器４０の容量及び径等に応じて設定される。
保持容器４０の下方には、被処理ガスを導入する導入管４３ａが設けられている。被処理ガスは、導入管４３ａから保持容器４０内に導入され、プラズマ５０にて熱処理（分解）されて排出管４３ｂから排出される。なお、保持容器４０内において導入管４３ａをプラズマ５０の中心付近まで延長した補助導入管４３ｃ（図５中に点線で示す）を設けると、被処理ガスをより確実に熱処理することができるので、好ましい。
これにより、従来のガスバーナ等による熱処理（１０００［℃］程度）に対して、プラズマ５０による非常に高温の熱処理（例えば６０００［℃］以上）が可能になり、被処理ガスの分解を、より確実に、より短時間に行うことができる。
【００３７】
●［実施例２：被処理物質（粉状物質）の熱処理装置及び材料の合成、組成改質等（例えば複数種類の材質を高温で合成等する）（図６）］
図６は、被処理物質（高温処理を要する粉末物質等）を、プラズマの高温で熱処理（有用成分の合成等）する熱処理装置に適用した例であり、図１に示す大気圧中でのプラズマ生成装置に対して保持容器４０が異なる（マイクロ波発生手段１０、サーキュレータ１１等は図示を省略している）。本実施例は、大気よりも質量の大きな物質を上方から供給し、下方から回収するものである。
保持容器４０の上方には、穴４１に被処理物質を供給する供給管４４ｂが接続されており、供給管４４ｂの上部には熱処理前の被処理物質を蓄える処理前貯蔵部４４ａが設けられている。
保持容器４０の下方には、プラズマ５０にて熱処理（有用成分の合成等）された被処理物質を回収する回収管４４ｃが接続されており、回収管４４ｃの終端は処理後貯蔵部４４ｄの位置に配置されている。
被処理物質は、処理前貯蔵部４４ａから供給管４４ｂを経由して保持容器４０内に落下し、プラズマ５０にて熱処理されて回収管４４ｃから処理後貯蔵部４４ｄに貯まる。なお、保持容器４０内に、熱処理されて落下してきた被処理物質を回収管４４ｃに誘導するように傾斜をつけた補助誘導部材４４ｅ（図６中に点線で示す）を設けると、被処理物質を効率良く回収することができるので、好ましい。
これにより、従来のガスバーナ等による熱処理（１０００［℃］程度）に対して、プラズマ５０による非常に高温の熱処理（例えば６０００［℃］以上）が可能になり、被処理物質の熱処理を、より確実に、より短時間に行うことができる。
【００３８】
●［実施例３：実験器具、玩具（図７）］
図７は、マイクロ波発生手段１０及び筐体２０（処理空間２０ａ）として家庭用の電子レンジを用い、処理空間２０ａ内に配置する保持容器４０、アンテナ部材３０、底部材３５とで構成された、大気圧中でのプラズマ生成支援装置の例を示している。なお図７に示す例では、第２アンテナ部材３０Ｈと容器４２と誘電体４３とを追加しているが、これらは省略してもよい。また本実施例では、実験器具または玩具等に適用するため、保持容器４０の穴４１を省略してもよい。
底部材３５は、導電体（例えば鉄、アルミ等）で形成された板状部材であり、アンテナ部材３０の一方の端を固定（本実施例ではほぼ垂直に固定）するための保持部３５ａが設けられている。なお、保持部３５ａも導電体で形成されている。
アンテナ部材３０は、所定長さ（マイクロ波の波長λの１／４であり、電子レンジのマイクロ波を用いる場合は、約３［ｃｍ］））の導電体であり、例えば径が０．５［ｍｍ］のシャープペンシルの芯が用いられる。そしてアンテナ部材３０は、底部材３５の保持部３５ａに固定される。
【００３９】
第２アンテナ部材３０Ｈは、第２所定長さ（マイクロ波の波長λの１／４〜１／２であり、電子レンジのマイクロ波を用いる場合は、約３〜６［ｃｍ］））の導電体であり、例えば径が０．５［ｍｍ］のシャープペンシルの芯が用いられる。そして第２アンテナ部材３０Ｈは、誘電体４３の上にほぼ水平に載置される。誘電体４３及び第２アンテナ部材３０Ｈが配置された容器４２は、底部材３５の上に載置される。
そして、アンテナ部材３０及び第２アンテナ部材３０Ｈが配置された底部材３５を、電子レンジの庫内に置き、底部材３５の上から保持容器４０を覆い被せる（図７（Ａ））。
すると、電子レンジ内には図７（Ｂ）に示す状態で、大気圧中でのプラズマ生成支援装置が配置される。
なお、第２アンテナ部材３０Ｈ、容器４２、誘電体４３は省略してもよい。また、電子レンジの庫内の面は導電体であるので、底部材３５は保持部３５ａのみで構成されていてもよく、処理空間内におけるアンテナ部材３０の一方の端が導電体に接触（接地）していればよい。
また、保持容器４０の上部は略球状または略半球状の形状を有しており、上部には所定サイズ（径が約３［ｃｍ］）の穴４１が設けられていることは、第１及び第２の実施の形態にて説明した通りである。
【００４０】
図７（Ｂ）に示す状態で、電子レンジ内に大気圧中でのプラズマ生成支援装置を配置した後、電子レンジの電源を投入してマイクロ波を出力させると、図３（Ｃ）〜（Ｅ）に示した例で既に説明した通り、プラズマ５０が着火され、マイクロ波の出力を継続している間、プラズマ５０が維持される。
例えば約１ｋＷの反応炉で、保持容器４０に直径２０［ｃｍ］程度のガラス容器を用い、穴４１を約３［ｃｍ］の円形に形成した場合、保持容器４０内で空気の対流が発生し、生成されたプラズマ５０は浮力で保持容器４０の上部にまで上昇し、そこで維持されることを実験にて確認した。なお生成されたプラズマ５０は保持容器４０内の上部に上昇するが、穴４１が約３［ｃｍ］以上の径であればプラズマは上方に移動するが流出することがないことも実験にて確認した。また、穴４１が約３［ｃｍ］よりも小さい場合は生成されたプラズマ５０が保持容器４０内で上昇せず、着火した位置（第２アンテナ部材３０Ｈ（アンテナ部材３０）の近傍）で停滞してしまい、生成されたプラズマ５０が不安定となることも実験にて確認した（プラズマ５０が第２アンテナ部材３０Ｈ（アンテナ部材３０）を覆うと第２アンテナ部材３０Ｈ（アンテナ部材３０）がマイクロ波を吸収することを妨げ、ガスの電離が進行しない）。穴４１の径の上限については、保持容器４０の径等に応じて変化するため、穴４１の径は実験等にて設定値を決めることが好ましい。
【００４１】
以上に説明したように、導電体で囲まれた筐体２０における、内部が大気圧の処理空間２０ａ内に、当該処理空間２０ａ内における長さが所定長さ（マイクロ波の波長の１／４に相当する長さ）となるように、且つ処理空間２０ａ内における一方の端が導電体に接地するようにアンテナ部材３０を立て、当該処理空間２０ａ内にマイクロ波を照射すれば、大気圧中でプラズマを生成することができる。また、更に保持容器４０、第２アンテナ部材３０Ｈ等を追加すれば、プラズマ５０の着火、高温化、高密度化、及び維持をより安定的に行うことができる。
【００４２】
本発明の大気圧中でのプラズマ生成方法及びその装置は、本実施の形態で説明した方法、構成、構造、材質、形状、寸法等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
本実施の形態の説明に用いた数値は一例であり、この数値に限定されるものではない。
本実施の形態では、プラズマを生成するためにマイクロ波を用いたが、種々の電波を用いることができる。
保持容器４０の材質は、ガラス、セラミックの他にも、比較的耐熱性が高いものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の第１の実施の形態の概略構成図を説明する図である。
【図２】アンテナ部材３０の構造と配置、及びプラズマ５０が生成される様子を説明する図である。
【図３】第２アンテナ部材３０Ｈの構造と配置、及びプラズマ５０が生成される様子を説明する図である。
【図４】本発明の大気圧中でのプラズマ生成装置の第２の実施の形態の概略構成図を説明する図である。
【図５】大気圧中でのプラズマ生成装置を、被処理ガスの熱処理装置に適用した例を説明する図である。
【図６】大気圧中でのプラズマ生成装置を、被処理物質の熱処理装置に適用した例を説明する図である。
【図７】本発明の大気圧中でのプラズマ生成支援装置の概略構成図を説明する図である。
【図８】従来の、大気圧中でのプラズマ生成装置を説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０    マイクロ波発生手段
１０ａ  出力制御手段
１０ｂ  温度検出手段
１１    サーキュレータ
１２    結合器
１３    整合器
１４    ホーン
２０    筐体
２０ａ  処理空間
３０    アンテナ部材
３０Ｈ  第２アンテナ部材
３１、３４    長さ調節手段
３２、３３    長さ検出手段
４０    保持容器
４１    穴
５０    プラズマ
【図１】
2005353411.tif 000003
【図２】
2005353411.tif 000004
【図３】
2005353411.tif 000005
【図４】
2005353411.tif 000006
【図５】
2005353411.tif 000007
【図６】
2005353411.tif 000008
【図７】
2005353411.tif 000009
【図８】
2005353411.tif 000010